(57)【要約】【課題】      過酸化水素量を低減することで耐久性を向上させることが可能な燃料電池、及び、当該燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】  電解質膜と当該電解質膜の両側に配設されるアノード電極層及びカソード電極層とを備え、電解質膜、アノード電極層、カソード電極層、電解質膜とアノード電極層との間、及び、電解質膜とカソード電極層との間、からなる領域の少なくともいずれか一の部位に、過酸化水素分解性能を有する金属の金属イオンが予め備えられている、燃料電池とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と該電解質膜の両側に配設されるアノード電極層及びカソード電極層とを備え、前記電解質膜、前記アノード電極層、前記カソード電極層、前記電解質膜と前記アノード電極層との間、及び、前記電解質膜と前記カソード電極層との間、からなる領域の少なくともいずれか一の部位に、過酸化水素分解性能を有する金属のイオンが予め備えられていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記イオンの酸化還元平衡電位が、過酸化水素発生電位以下であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記イオンが銀イオンであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜と該電解質膜の両側に配設されるアノード電極層及びカソード電極層とを備える燃料電池の製造方法であって、
前記電解質膜、前記アノード電極層、前記カソード電極層、前記電解質膜と前記アノード電極層との間、及び、前記電解質膜と前記カソード電極層との間、からなる領域の少なくともいずれか一の部位に、過酸化水素分解性能を有する金属を金属イオンの状態で分散させる工程を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び当該燃料電池の製造方法に関し、特に、過酸化水素量を低減することで耐久性を向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）に代表される燃料電池は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に配置される電極（カソード及びアノード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用されるＰＥＦＣは、低温領域での運転が可能であり、８０〜１００℃程度の運転温度で使用されるのが一般的である。また、ＰＥＦＣは、３０〜４０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣのユニットセルは、電解質膜、少なくとも電極層を備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、ユニットセルを直列に積層した積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
他方、燃料電池の発電時には、ユニットセル内の電極層で起こる電気化学反応により水が生成されるほか、反応の途中で過酸化水素が生成される場合がある。この過酸化水素は、反応性が高いＯＨラジカルの発生源となり、ＯＨラジカルは、ＭＥＡにおける電解質成分劣化の一因となることが明らかになってきている。かかる劣化は、燃料電池の耐久性低下の一因となるため、ＭＥＡ内にて生成される過酸化水素量を低減することで上記劣化を抑制し、燃料電池の耐久性を向上させることが望まれている。
【０００５】
燃料電池の耐久性向上を目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、電解質膜、アノード、カソード、電解質膜とアノードとの間、及び、電解質膜とカソードとの間、の少なくとも１以上の部位に、過酸化水素分解性能を有する金属を含む物質を添加させたことを特徴とする、燃料電池に関する技術が開示されており、かかる技術によれば、ＯＨラジカルの発生を抑制することが可能になり、燃料電池の耐久性が向上する、とされている。なお、特許文献１には、過酸化水素分解性能を有する金属として、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｅが例示されている。
【特許文献１】国際公開第２００４／０２３５７６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、過酸化水素分解性能を有する上記金属を固体の状態で添加するため、当該金属を均一に分散させることが困難であり、当該金属が凝集して単位質量当たりの表面積が小さくなりやすい。そのため、過酸化水素分解性能を効果的に発現させることが困難であり、燃料電池の耐久性を向上させ難いという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、過酸化水素量を低減することで耐久性を向上させることが可能な燃料電池、及び、当該燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質膜と当該電解質膜の両側に配設されるアノード電極層及びカソード電極層とを備え、電解質膜、アノード電極層、カソード電極層、電解質膜とアノード電極層との間、及び、電解質膜とカソード電極層との間、からなる領域の少なくともいずれか一の部位に、過酸化水素分解性能を有する金属のイオンが予め備えられていることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【０００９】
ここに、過酸化水素分解性能を有する金属の具体例としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｅ、Ｒｂ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｏｓ等を挙げることができる。
電極には触媒層に加え、拡散層を備える場合がある。こういった燃料電池の場合は、金属のイオンは拡散層に備えられていても良い。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、イオンの酸化還元平衡電位が、過酸化水素発生電位以下であることを特徴とする。
【００１１】
ここに、過酸化水素発生電位とは、燃料電池のユニットセル内で過酸化水素が発生し始める電位を意味している。燃料電池の運転時には、例えば０．８Ｖ以下の電位環境で過酸化水素が発生するため、上記過酸化水素発生電位の具体例としては、０．８Ｖ等を挙げることができる。また、金属イオンの酸化還元平衡電位が過酸化水素発生電位以下である金属の具体例としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ等を挙げることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、イオンが銀イオンであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、電解質膜と当該電解質膜の両側に配設されるアノード電極層及びカソード電極層とを備える燃料電池の製造方法であって、電解質膜、アノード電極層、カソード電極層、電解質膜とアノード電極層との間、及び、電解質膜とカソード電極層との間、からなる領域の少なくともいずれか一の部位に、過酸化水素分解性能を有する金属イオンを分散させる工程を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法により、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、電解質膜、アノード電極層、カソード電極層、電解質膜とアノード電極層との間、及び、電解質膜とカソード電極層との間、からなる領域（以下において、「ＭＥＡ」と記述する。）の少なくともいずれか一の部位に、過酸化水素分解性能を有する金属のイオンが均一に分散されている燃料電池を提供することが可能になる。ＭＥＡに上記イオンが均一に分散されていれば、ＭＥＡ内で発生した過酸化水素を当該ＭＥＡ内で効果的に分解可能な燃料電池を提供することが可能になる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、過酸化水素量を低減することで耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、金属イオンの酸化還元平衡電位が過酸化水素発生電位（例えば、０．８Ｖ）以下であるため、当該酸化還元平衡電位以下で固体として存在する上記金属により、ＭＥＡ内で生成される過酸化水素を分解することが可能になる。したがって、請求項２に記載の発明によれば、過酸化水素量を効果的に低減することで耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、ＭＥＡに、銀イオンが予め備えられている燃料電池を提供することが可能になる。ここで、銀イオンの酸化還元平衡電位は０．７９９Ｖである一方、ＭＥＡ内において過酸化水素が生成されるのは０．８Ｖ以下の電位であり、固体の銀は過酸化水素分解性能を有している。そのため、かかる構成とすることで、０．８Ｖ以下の電位環境にて生成された過酸化水素を、固体の銀により分解することが可能になる。したがって、請求項３に記載の発明によれば、銀により過酸化水素を分解することで耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、ＭＥＡ内の少なくともいずれか一の部位に、過酸化水素分解性能を有する金属を金属イオンの状態で分散させる工程が含まれているので、ＭＥＡ内の少なくともいずれか一の部位に当該金属イオンが備えられている燃料電池を製造することが可能になる。したがって、請求項４に記載の発明によれば、過酸化水素量を低減することで耐久性を向上させることが可能な燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
燃料電池の発電時には、電極層で過酸化水素が生じ得ることが知られており、この過酸化水素から生成されるＯＨラジカルによって、ＭＥＡ（例えば、電解質膜等）の電解質成分が劣化する。これまでに、ＭＥＡに過酸化水素分解性能を有する金属（以下において、「過酸化水素分解金属」と記述する。）が添加されている形態の燃料電池に関する技術は開示されているが、従来技術では、固体（例えば、金属粉等）の状態で過酸化水素分解金属を分散していたため、添加時及び／又は添加後に当該金属が凝集しやすい。上記金属が凝集すると、当該金属が備えられている領域が点在しやすくなり、過酸化水素分解性能を発現可能な領域が限定されるため、過酸化水素の分解効率が低下しやすい。さらに、上記金属が凝集すると、当該金属の単位質量当たりの表面積が減少するため、過酸化水素と接触し得る面積が減少し、その結果として、過酸化水素の分解性能が低下する。したがって、過酸化水素量を効果的に低減することで燃料電池の耐久性を向上させるためには、過酸化水素分解金属を均一に分散することが好ましい。そして、当該均一な分散の実施には、当該金属を金属イオンの状態で分散させることが有効である。
【００１９】
他方、０．８Ｖ以下の電位環境において、例えば、ＭＥＡ内の炭素及び／又は白金上で酸素が還元されると、当該還元反応の途中で過酸化水素が生成される。そのため、ＭＥＡ内に、０．８Ｖ以下の電位環境において過酸化水素分解性能を発現し得る物質が均一に分散されていれば、過酸化水素を効果的に分解することが可能になり、耐久性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になると考えられる。
【００２０】
本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、ＭＥＡ内の少なくともいずれか一の部位に、過酸化水素分解性能を有する金属のイオン（金属イオン）、特に、酸化還元平衡電位が過酸化水素発生電位以下である金属イオンが予め備えられている燃料電池、及び当該燃料電池の製造方法を提供することにある。かかる金属イオンが予め備えられていれば、当該金属イオンは下記（式１）及び（式２）の反応によりイオン状態と固体状態（原子状態であることを意味する。）とを交互に繰り返すことが可能になる。
Ｈ２Ｏ２  ＋  ２Ｍ  ＋  ２Ｈ＋  →  ２Ｈ２Ｏ  ＋  ２Ｍ＋          （式１）
２Ｍ＋  ＋  ２ｅ−  →  ２Ｍ                        （式２）
ここに、上記（式１）及び（式２）において、Ｍは固体状態（原子状態であることを意味する。）の金属を、Ｍ＋はイオン状態の金属（金属イオン）を、それぞれ表している。
過酸化水素分解性能を有する金属が上記Ｍの状態で存在すると、金属Ｍは過酸化水素を分解し、当該金属Ｍ自身は酸化されて金属イオンＭ＋となる。そして、燃料電池内の環境が金属イオンＭ＋の酸化還元平衡電位以下であると、当該Ｍ＋は還元されて金属Ｍとなり、再び、過酸化水素を分解する。したがって、上記構成とすれば、効果的に過酸化水素量を低減することが可能になるため、耐久性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００２１】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池ついてさらに具体的に説明する。
【００２２】
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が電極の積層方向である。図示のように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池１００は、電解質膜１１と当該電解質膜１１の両側に配設される電極としてのアノード電極層１２ａ及びカソード電極層１３ａ（以下において、単に「アノード電極層１２ａ」、「カソード電極層１３ａ」と記述する。）とを備えるＭＥＡ１５と、当該ＭＥＡ１５の両側に配設されるアノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂと、当該アノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂの外側に配設されるセパレータ１６及び１７とを備えている。アノード１２は、アノード電極層１２ａ及びアノード拡散層１２ｂを備える一方、カソード１３は、カソード電極層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備えている。燃料電池１００において、電解質膜１１、アノード電極層１２ａ、及びカソード電極層１３ａには、電解質成分（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等に代表される含フッ素イオン交換樹脂、又は、炭化水素系の樹脂等。Ｎａｆｉｏｎは米国デュポン社の登録商標。）が備えられており、さらに、銀イオンが予め分散されている。アノード電極層１２ａ及びカソード電極層１３ａには、電気化学反応の触媒として機能する白金が担持された炭素粒子（以下において、「白金担持カーボン」と記述する。）が備えられる一方で、アノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂは、例えば、炭素繊維からなるカーボンペーパーにより構成されている。ＭＥＡ１５の外側に配設されるセパレータ１６及び１７には、アノード１２及びカソード１３側に反応ガス供給路１８ａ、１８ａ、…、及び１８ｂ、１８ｂ、…が形成されており、アノード１２側の反応ガス供給路１８ａ、１８ａ、…には水素含有物質（以下において、「水素」と記述する。）が供給される一方、カソード１３側の反応ガス供給路１８ｂ、１８ｂ、…には酸素含有物質（以下において、「空気」と記述する。）が供給され、これらの反対側の面には冷却媒体流路１９、１９、…が形成されている。
【００２３】
燃料電池の発電時には、反応ガス供給路１８ａ、１８ａ、…から供給される水素の一部が電解質膜１１を透過して、カソード電極層１３ａへと達する場合があるほか、反応ガス供給路１８ｂ、１８ｂ、…から供給される空気の一部が、電解質膜１１を透過して、アノード電極層１２ａへと達する場合がある。この空気に含まれる酸素が、燃料電池内の電位が０．８Ｖ以下である場合にアノード電極層１２ａ及びカソード電極層１３ａに含まれる白金担持カーボンの白金上及び／又はカーボン上で還元されると、反応の途中で過酸化水素が生成され、さらに、当該過酸化水素に起因するＯＨラジカルが生成される。ＯＨラジカルは、電解質膜１１、アノード電極層１２ａ、及びカソード電極層１３ａに備えられる電解質成分の劣化の一因となり、この劣化が進行すると、燃料電池の耐久性が低下する。そのため、かかる劣化の一因となる過酸化水素を分解することで、電解質膜の劣化を抑制し、燃料電池の耐久性を向上させることが望ましい。そこで、本実施形態にかかる燃料電池１００では、電解質膜１１、アノード電極層１２ａ、及びカソード電極層１３ａに、優れた過酸化水素分解性能を有する金属である銀のイオン（以下において、「Ａｇ＋」と記述することがある。）が予め分散された構成とすることで、アノード電極層１２ａ及びカソード電極層１３ａにて生成され得る過酸化水素を効果的に分解し、電解質膜１１の劣化を抑制している。
【００２４】
上述のように、本実施形態にかかる燃料電池１００では、Ａｇ＋が、電解質膜１１、アノード電極層１２ａ、及びカソード電極層１３ａに予め分散される。具体的には、本実施形態にかかるＡｇ＋は、当該燃料電池１００の製造段階において、電解質膜１１、アノード電極層１２ａ、及びカソード電極層１３ａに含まれる電解質成分中のプロトンがＡｇ＋によって置換された形態で分散され、当該Ａｇ＋は電解質成分に含まれる酸性基（例えば、スルホン酸基、ホスホン酸基等）と塩を形成して存在しているため、少なくとも燃料電池１００が運転されるまでの間（具体的には、電位が０．７９９Ｖ以下である間）、上記形態で分散されたＡｇ＋は、イオンの状態で存在している。一方、このようにして分散されたＡｇ＋を備える燃料電池１００の運転が開始されると、カソード１３の電位は、例えば０．４Ｖ〜１．０Ｖ程度になる。ここで、Ａｇ＋の酸化還元平衡電位は０．７９９Ｖであるため、カソード１３の電位が０．７９９Ｖ以下になると還元され、過酸化水素分解性能を有する固体状態の銀（以下において「Ａｇ」と記述する。）となる。一方、燃料電池１００が運転されると、０．８Ｖ以下の電位環境で過酸化水素が生成される。すなわち、燃料電池内に備えられるＡｇ＋が過酸化水素分解性能を有するＡｇになる電位（０．７９９Ｖ）と、燃料電池内で過酸化水素が発生し始める電位（０．８Ｖ）とが極めて近いため、かかる構成の燃料電池１００とすることで、Ａｇにより過酸化水素を分解することが可能になる。
【００２５】
他方、過酸化水素分解性能を発揮した後のＡｇは、酸化されてＡｇ＋となる。そして、電位環境が０．７９９Ｖ以下であれば、再び還元されてＡｇになり、過酸化水素を分解する。そのため、本発明にかかる燃料電池では、Ａｇ＋の状態とＡｇの状態とを交互に繰り返すサイクルを継続させることが可能になる。すなわち、本発明にかかる燃料電池では、過酸化水素を分解する際にＡｇを触媒として機能させることが可能になるため、少量のＡｇを触媒として繰り返し機能させることで効果的に過酸化水素を分解することが可能になる。
【００２６】
ここで、例えば、燃料電池１００の電位が連続的に又は断続的に低下してカソード電位が０．８Ｖとなり、過酸化水素が発生するようになった場合でも、当該カソード電位が０．７９９Ｖ以下になればＡｇが存在する。すなわち、燃料電池１００によれば、Ａｇにより、０．８Ｖと０．７９９Ｖとの間の電位環境下で生成された少量の過酸化水素、及び、０．７９９Ｖ以下の電位環境下で生成される過酸化水素を、効果的に分解することが可能になる。したがって、第１実施形態によれば、過酸化水素量を低減することで効果的に耐久性を向上させることが可能な燃料電池１００を提供することが可能になる。
【００２７】
上記説明では、便宜上、電解質膜、アノード電極層、及びカソード電極層にＡｇ＋が予め備えられている形態の燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明にかかる燃料電池が採り得る他の形態例としては、ＭＥＡを構成する構成要素のいずれか一の部位にのみＡｇ＋が備えられている形態、電解質膜及びカソード電極層等、ＭＥＡを構成する構成要素のいずれか二の部位にＡｇ＋が予め備えられている形態、電解質膜、カソード電極層、及び、電解質膜とカソード電極層との間にＡｇ＋が予め備えられている形態等を挙げることができる。そこで、以下に、図を参照しつつ、本発明にかかる燃料電池が採り得る代表的な形態例について説明する。
【００２８】
図２は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が電極の積層方向である。図２において、図１に示す燃料電池の構成部位と略同様の構成を採る部位には、図１で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００２９】
図示の燃料電池２００は、電解質膜１１’と当該電解質膜１１’の両側に配設されるアノード電極層１２ａ’及びカソード電極層１３ａとを備えるＭＥＡ１５ａ、を備え、カソード電極層１３ａにのみＡｇ＋が予め分散されており、電解質膜１１’及びアノード電極層１２ａ’にはＡｇ＋が備えられていない。燃料電池２００において、アノード１２’は、アノード電極層１２ａ’及びアノード拡散層１２ｂを備える一方、カソード１３は、カソード電極層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備えている。なお、燃料電池２００において、上記以外の構成部位は燃料電池１００の対応する構成部位と略同様の形態を備えており、Ａｇ＋を分散させる形態は燃料電池１００にかかる形態と略同様である。
【００３０】
このような形態を有する燃料電池２００であっても、カソード電極層１３ａにＡｇ＋が備えられているため、当該カソード電極層１３ａの電位がＡｇ＋の酸化還元電位以下になるとＡｇ＋が還元されてＡｇとなり、当該Ａｇにより過酸化水素を分解することが可能になる。したがって、第２実施形態にかかる燃料電池２００によっても、耐久性を向上させることが可能になる。
【００３１】
図３は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が電極の積層方向である。図３において、図１及び／又は図２に示す燃料電池の構成部位と略同様の構成をとる部位には、図１及び／又は図２において使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３２】
図示の燃料電池３００は、電解質膜１１と当該電解質膜１１の両側に配設されるアノード電極層１２ａ’及びカソード電極層１３ａとを備えるＭＥＡ１５ｂ、を備え、電解質膜１１及びカソード電極層１３ａにのみＡｇ＋が予め分散されており、アノード電極層１２ａ’にはＡｇ＋が備えられていない。燃料電池３００において、アノード１２’は、アノード電極層１２ａ’及びアノード拡散層１２ｂを備える一方、カソード１３は、カソード電極層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備えている。なお、燃料電池３００において、上記以外の構成部位は燃料電池１００の対応する構成部位と略同様の形態を備えており、Ａｇ＋を分散させる形態は燃料電池１００にかかる形態と略同様である。
【００３３】
このような形態を有する燃料電池３００であっても、電解質膜１１及びカソード電極層１３ａにＡｇ＋が備えられているため、当該カソード電極層１３ａの電位がＡｇ＋の酸化還元電位以下になるとＡｇ＋が還元されてＡｇとなり、当該Ａｇにより過酸化水素を分解することが可能になる。したがって、第３実施形態にかかる燃料電池３００によっても、耐久性を向上させることが可能になる。
【００３４】
本発明にかかる燃料電池において、ＭＥＡ内に分散させるＡｇ＋の質量は、過酸化水素分解性能を発現可能であれば、特に限定されるものではないが、電解質成分に含まれる多量のプロトンがＡｇ＋と置換されることにより燃料電池の発電性能が低下することを防止するという観点から、電解質成分に含まれる酸性基１００質量部に対して、Ａｇ＋を１５質量部以下とすることが好ましい。なお、電解質成分に含まれる酸性基の具体例としては、電解質成分に含フッ素イオン交換樹脂が備えられる場合にはスルホン酸基やホスホン酸基等、当該電解質成分に炭化水素系の樹脂が備えられる場合にはカルボン酸基等を挙げることができる。
【００３５】
以下に、本発明にかかる燃料電池のＭＥＡ内にＡｇ＋を分散させる方法について説明する。
【００３６】
通常、アノード電極層及びカソード電極層を作製する場合には、まず、プロパノールと水との混合物等により構成される有機溶媒と、Ｎａｆｉｏｎ等に代表される含フッ素イオン交換樹脂等の電解質成分とを混ぜて溶融状態の電解質成分を調製し、さらに、当該溶融状態の電解質成分に、電気化学反応の触媒として機能する白金を担持させた炭素粒子等を分散させることにより、ペースト状の触媒層（以下において、「触媒インク」と記述する。）を調製する。そして、調製された触媒インクを電解質膜の表面に塗布し乾燥させることにより、例えば、電解質膜の一方の面にアノード電極層を形成させ、その後、以下同様の工程を繰り返して電解質膜の他方の面にカソード電極層を形成させることにより、ＭＥＡを作製することが可能になる。そのため、以下に例示する工程を経ることにより、上記第１〜第３実施形態にかかる燃料電池を製造することが可能になる。
【００３７】
上記第１実施形態にかかるＭＥＡは、例えば、上述のようにして作製したＭＥＡを、Ａｇ＋を含む水溶液（以下において、「銀イオン水溶液」と記述する。）等に浸漬することで上記電解質成分に含まれるプロトンをＡｇ＋にイオン交換し、Ａｇ＋を分散させる等の工程を経ることにより、製造することが可能になる。この他、ＭＥＡ作製後に、銀イオン水溶液を用いてＭＥＡのカソード電極層側からＡｇ＋を泳動させることによりＭＥＡ中にＡｇ＋を分散する工程等を経て製造することも可能である。
【００３８】
Ａｇ＋を分散させる際に使用する上記銀イオン水溶液の具体例としては、硝酸銀水溶液や硫酸銀水溶液等を挙げることができる。なお、銀イオン水溶液を用いて本発明にかかる燃料電池を製造する場合、作業性等の観点からは、硝酸銀水溶液を用いることが好ましい。
【００３９】
上記第２実施形態にかかるカソード電極層は、例えば、上述のようにして調整される触媒インクに上記銀イオン水溶液を添加する等の工程を経ることにより、製造することが可能になる。この他、ＰＴＦＥ等に代表される撥水シート等の上に塗布した上記触媒インクを、上記銀イオン水溶液に浸漬する工程等を経ることによっても、上記第２実施形態にかかるカソード電極層を作製することが可能になる。
【００４０】
上記第３実施形態にかかる電解質膜及びカソード電極層は、例えば、上述のようにして一方の面に触媒インクが塗布された電解質膜を上記銀イオン水溶液に浸漬する工程等を経ることにより、製造することが可能になる。
【００４１】
上記説明では、便宜上、電解質膜、アノード電極層、及びカソード電極層の少なくとも一以上の部位にＡｇ＋が予め分散されている形態について記述したが、本発明にかかる燃料電池が電解質膜とアノード電極層及び／又はカソード電極層との間にこれらと異なる層（例えば、接触抵抗を低減させるためのバインダー層等）を備える形態である場合、上記Ａｇ＋は当該バインダー層等に分散されていても良い。バインダー層にＡｇ＋を分散させる方法の具体例としては、当該バインダー層に上記銀イオン水溶液を添加する等の方法を挙げることができる。
【００４２】
また、上記説明では、Ａｇ＋が予め備えられている形態について記述したが、本発明にかかる燃料電池に備えられ得るイオンは銀イオンに限定されるものではない。本発明にかかる燃料電池に備えられ得る他のイオンは、当該イオンの酸化還元平衡電位が燃料電池運転時におけるカソードの電位以下であり、かつ、燃料電池の耐久性に悪影響を及ぼさないものであればよく、その具体例としては、Ｃｕ２＋等を挙げることができる。但し、上述のように、効果的に過酸化水素を分解するという観点からは、イオンの酸化還元平衡電位が、過酸化水素が発生され始める０．８Ｖに極力近いことが好ましいため、本発明では、当該条件を満たすＡｇ＋が特に好ましい。
【００４３】
なお、便宜上、上記説明では、ＭＥＡ側に反応ガス供給路が形成されている形態のセパレータを備える燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池が備え得るセパレータは当該形態に限定されるものではなく、例えば、ＭＥＡ側に反応ガス供給路が形成されていないフラットタイプのセパレータであっても良い。かかる形態の燃料電池とする場合には、セパレータと当接すべき層（第１〜第３実施形態にかかる燃料電池ではアノード拡散層及びカソード拡散層）を、めっき法や発泡法等により製造されるステンレス鋼、チタン又はニッケル等の発泡金属、あるいは焼結金属等の多孔体により形成し、当該層に反応ガスが供給される形態の燃料電池とすれば良い。
【００４４】
さらに、上記説明では、アノード拡散層及びカソード拡散層が備えられている形態の燃料電池について記述したが、アノード拡散層及び／又はカソード拡散層が備えられていなくとも良好な発電性能が得られる場合には、本発明にかかる燃料電池は、アノード拡散層及び／又はカソード拡散層が備えられていない形態であっても良い。
【実施例】
【００４５】
Ａｇ＋が分散されているＭＥＡを備える燃料電池（実施例）と、Ａｇ＋が分散されていないＭＥＡを備える従来の燃料電池（比較例）とを用いて、フル加湿（相対湿度１００％）及び電流密度０．５Ａ／ｃｍ２の条件下にて６時間に亘る定常運転を実施した。ここで、Ａｇ＋は、カソード電極層の触媒インクに、当該触媒インクに含まれる電解質成分１００質量部に対してＡｇ＋が１質量部となる量の１％硝酸銀水溶液を添加することにより分散させた。また、ＭＥＡに備えられる電解質膜としては、含フッ素イオン交換樹脂を含む膜（Ｎａｆｉｏｎ）を使用した。そして、実施例にかかる燃料電池及び比較例にかかる燃料電池を用いて上記定常運転を行い、燃料電池の発電によって生じた生成水を回収し、生成水中のフッ素イオン濃度（ｐｐｍ）を測定した。その測定結果を表１に示す。なお、含フッ素イオン交換樹脂を含む電解質膜が、過酸化水素に起因するＯＨラジカルにより酸化劣化されると、フッ素イオンが溶出するため、生成水のフッ素イオン濃度は燃料電池の耐久性の指標となる。
【００４６】
【表１】
2006244721.tif 000003
【００４７】
表１より、実施例にかかる燃料電池の生成水では、フッ素イオン濃度が０．０１ｐｐｍであったのに対し、比較例にかかる燃料電池の生成水では、フッ素イオン濃度が０．０５ｐｐｍであった。すなわち、Ａｇ＋が予め分散されたカソード電極層を備える燃料電池とすることで、生成水中のフッ素イオン濃度が低減することが確認された。これは、実施例にかかる燃料電池では、０．７９９Ｖ以下の電位環境において存在するＡｇを介して当該電位環境にて生成される過酸化水素が分解され、電解質膜の劣化が抑制されたためであると考えられる。すなわち、以上の試験により、本発明によれば、過酸化水素量を低減することで耐久性を向上させ得る燃料電池を提供可能であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図２】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図３】第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１  電解質膜
１２  アノード
１２ａ  アノード電極層
１２ｂ  アノード拡散層
１３  カソード
１３ａ  カソード電極層
１３ｂ  カソード拡散層
１５、１５ａ、１５ｂ  ＭＥＡ
１６、１７  セパレータ
１００、２００、３００  燃料電池
【図１】
2006244721.tif 000004
【図２】
2006244721.tif 000005
【図３】
2006244721.tif 000006